超声速横向射流强化混合数值模拟研究

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燃料在超燃冲压发动机燃烧室中的注入与混合过程时间非常短,因此实现燃料/空气的快速高效混合成为超燃冲压发动机发展的关键技术之一。燃料壁面入射是通过横向注入燃料与空气相互作用,以此提高燃料/空气的混合效率,逐渐成为超燃冲压发动机内超声速燃烧的研究热点之一。本文基于OpenFoam计算流体力学平台的rhoCentralFoam求解器,运用雷诺平均方法(RANS)研究了被动与主动两种强化混合方式对超声速横向射流流场混合效率和总压损失的影响,具体工作如下:(1)开展了超声速横向对冲氢气射流无化学反应流场混合的模拟研究,比较不同射流动量通量比以及射流角度对流场结构的影响。模拟结果表明:与单侧孔氢气射流相比,对冲氢气射流流场激波结构与大尺度涡结构增强,反射激波导致射流羽流发生弯折并强化燃料射流与主流空气。射流动量通量比较高的工况,射流惯性比较大,射流的穿透高度更大,但混合效率降低。射流入射角度影响流场反向旋转涡对(Counter-rotating Vortex Pairs,CVP)结构位置,当射流入射角为90°时,大尺度CVP结构强度达到最大,有利于促进燃料/空气的相互混合;(2)无质量压力脉冲激励对超声速横向氢气射流流场强化混合的研究结果表明,相比于稳态射流,增加脉冲激励导致射流羽流周期性波动,在羽流核心区氢气最大质量分数衰减速率更快。脉冲频率存在最优值50kHz,对燃料/空气的混合促进效果最好。频率过低,脉冲传递存在滞后;频率过高,相邻涡环之间距离变短,穿透深度趋近稳态射流。同时脉冲幅值越大,在不增加总压损失的条件下射流穿透深度越高,混合效果更好。
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